лабораторная работа о–1 фотоэлектрический эффект

Л АБ ОР АТ ОР Н АЯ Р АБ ОТ А О – 1
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
ОБОРУДОВАНИЕ: оптическая скамья, амперметр, вольтметр,
источник тока, фотоэлемент, соединительные провода.
При взаимодействии инфракрасных лучей, видимого света, ультрафиолетовых лучей, рентгеновского излучения и гамма-квантов малых
энергий с веществом происходит вырывание электронов. Явление вырывания электронов c поверхности твердых и жидких тел под действием света называется внешним фотоэффектом.
Основное влияние на характер фотоэффекта оказывают электрические свойства облучаемого материала (проводник, полупроводник,
диэлектрик), а также энергия фотонов, при которых возможен фотоэффект.
Впервые явление фотоэффекта было замечено Герцем в 1887 году.
Первые количественные исследования фотоэлектрического эффекта
принадлежат русскому физику А.Г. Столетову, который установил, что
под действием света вещество теряет отрицательные заряды и что сила
фототока зависит от светового потока, материала катода и напряжения
на электродах (рис. 1). Если при освещении катода все вырываемые
электроны доходят до анода, то в цепи устанавливается ток насыщения.
При уменьшении напряжения между анодом и катодом до нуля сила
фототока будет уменьшаться, так как до анода будет долетать лишь
часть вырванных из катода фотоэлектронов. Но даже при напряжении,
равном нулю, фототок будет иметь место, так как вырванные электроны
имеют определенную скорость и часть их достигает анода. По цепи будет идти ток. Ток падает до нуля, если приложить к электродам, задерживающее электрическое поле, то есть поменять знаки зарядов пластин.
По величине тормозящей разности потенциала, при которой ток обращается в нуль, можно определить скорость самых быстрых электронов, так как согласно закону сохранения энергии имеем:
mυ 2
 eu0 ,
(1)
2
где m – масса электрона,
e – заряд электрона,
 – скорость электрона,
u0 – тормозящая разность потенциалов.
3
Опытным путем установлены следующие основные законы фотоэффекта.
Ф
A
K
G
Рис. 1
1. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему
световому потоку Ф:
Iô  k  Ô ,
(2)
где k – коэффициент пропорциональности, характеризующий чувствительность данной поверхности к свету (измеряется в амперах на ватт
(А/Вт)).
Данный закон строго выполняется, если измеряемый ток насыщения
образован только электронами, освобожденными светом, что имеет место лишь в вакуумных фотоэлементах. В фотоэлементах, заполненных
газом, наблюдается отступление от простой пропорциональности, так
как к току электронной эмиссии прибавляется ток ионизации.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит
от интенсивности падающего света, а определяется при прочих равных
условиях лишь частотой падающего монохроматического света и растет
с ее увеличением.
Этот экспериментальный (качественный) факт был теоретически
обоснован А. Эйнштейном (1905 г.), который установил количественную связь между энергией, получаемой электроном, и частотой монохроматического излучения.
Согласно представлениям квантовой теории, свет излучается и поглощается квантами. Энергия кванта численно равна произведению постоянной Планка h на частоту  излучения, то есть
ε  h ν .
(3)
4
Если энергия света передается электронам металла квантами (порциями) (причем энергия одного кванта передается одному электрону),
то на основании закона сохранения энергии можно написать:
mυ 2
hν  A 
.
(4)
2
Это уравнение называется формулой Эйнштейна для фотоэффекта. Действительно, при фотоэлектрических эффектах фотон расходует
свою энергию ε  h  ν на работу выхода электрона из вещества и на
сообщение электрону скорости , то есть увеличение его кинетической
mυ 2
энергии
.
2
Кристаллическая решетка металла построена из атомов, которые
лишены одного или нескольких электронов, то есть из положительных
ионов металла. Электроны, оторванные от атомов, способны перемещаться по всему объему металла и не связаны с каким-либо определенным местом решетки. Электропроводность металлов определяется
именно этими свободными электронами.
Внутри металла электроны могут двигаться свободно, а возле поверхности они испытывают притяжение со стороны положительных
ионов, расположенных на поверхности металла, что удерживает их
в непосредственной близости к этой поверхности и мешает выходу за
пределы металла. Наличие слоя электронов и положительного слоя
ионов создает на поверхности металла двойной электрический слой, что
создает скачок потенциала порядка 3–5 В, различный для различных
проводников.
Прохождение электрона через двойной слой должно быть сопряжено с затратой энергии: электрон должен совершить работу выхода, величина которой определяется простым соотношением
A  e  Δu ,
(5)
где е – заряд электрона,
u – скачок потенциала, который создается двойным слоем.
Величина А измеряется во внесистемных единицах – электронвольтах (эВ).
Таким образом, на поверхности металла имеется «энергетический
барьер», препятствующий выходу электронов из металла. Вырывание
электронов из металла связано с необходимостью каким-либо способом
сообщить им некоторую порцию энергии, которая должна быть затрачена на работу выхода.
5
Облучая металл световым потоком, энергия которого передается
электронам, мы наблюдаем фотоэлектрическую эмиссию. Если энергия
фотона меньше работы выхода, то есть
h  A,
(6)
то фотоэффекта не будет.
3. Для каждой поверхности существует минимальная частота, при
которой еще возможен внешний фотоэффект. Фотоэффект начинается
при условии, когда энергия фотона равна работе выхода:
h0 = A или h
ñ
 A,
λ0
(7)
где 0 – минимальная частота,
0 – максимальная длина волны, при которой начинается фотоэффект.
Минимальная частота (или максимальная длина волны), при которой начинается фотоэффект, определяет, так называемую, красную границу фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта для различных металлов различна и зависит от величины работы выхода.
С поверхности металла цезия, работа выхода у которого 1,9 эВ, испускаются электроны при освещении излучением, лежащим в любом
участке видимого спектра. Калий (работа выхода 2,27 эВ) испускает
электроны при освещении его светом с длиной волны не менее 0,62 мкм
(оранжевые лучи). У вольфрама и платины фотоэффект можно вызвать
лишь при облучении их ультрафиолетовыми лучами, так как энергия
фотона видимого света меньше работы выхода электрона.
Внешний фотоэффект находит широкое практическое применение.
Приборы, действие которых основано на явлении фотоэлектрического
эффекта, называются фотоэлементами. Простейший тип вакуумного
фотоэлемента представляет собой откачанный стеклянный баллон, одна
половина которого покрыта изнутри металлом, играющим роль фотокатода, а анод обычно выполняется в виде кольца. Между анодом и катодом с помощью батарей (или выпрямителя) создается разность потенциалов. При неосвещенном катоде ток в цепи фотоэлемента отсутствует.
Чувствительность вакуумных фотоэлементов не превышает 150 мкА/лм
(световой поток в 1 лм вызывает фототок в 150 мкА).
Очень важным для практики свойством вакуумных фотоэлементов
является их безинерционность. Время между началом освещения и моментом появления фототока в них не превышает 10-9 с.
6
Газонаполненный элемент по своему внешнему виду, устройству
и схеме включения не отличается от вакуумного фотоэлемента. Различие
заключается в том, что его стеклянный баллон содержит инертный газ
(обычно аргон или неон), давление которого лежит в пределах от 1,00
до 0,05 мм рт. ст.. Ионизация молекул газа электронами, летящими
с катода, приводит к увеличению тока, текущего в цепи фотоэлемента..
Коэффициентом усиления называется величина R=1/IФ, где I – ток, проходящий через фотоэлемент, IФ – ток, обусловленный только электронами, вырванными светом с катода. Величина коэффициента является
функцией разности потенциалов, геометрических параметров фотоэлемента, давления и природы газа в нем.
В новейших фотоэлементах на фотокатод наносят обычно одноатомные слои металлов, активированные чаще всего водородом. Такие
фотоэлементы имеют чувствительность, доходящую до 10 мкА/лм при
освещении их обычной лампой накаливания с температурой 2100 К.
ЗАДАНИЕ И ОТЧЕТНОСТЬ
I. Измерение вольт-амперных характеристик
фотоэлемента
1. Соберите электрическую схему, представленную на рис. 2.
Д1
Д2
220
Д4
Д3
V

Л
ФЭ
220
Рис. 2
2. Включите источник света, изменяя напряжение между анодом
и катодом фотоэлемента на 10 В и, оставляя неизменной его освещенность, измерьте значение силы тока. Результаты измерений запишите
в таблицу 1.
7
Таблица 1
l1
U
l2
I
U
l3
I
U
I
3. Повторите п. 2 для различных освещенностей E (для различных
расстояний l между фотоэлементом и источником света).
4. Постройте семейство вольтамперных характеристик для различных освещенностей Е.
Iô
U
8
II. Измерение световой характеристики фотоэлемента
1. При постоянном значении напряжения для различных освещенI cos 
ностей E  câ 2
(где Iсв – сила света) снимите значения тока насыl
щения, результаты измерений запишите в таблицу 2.
Таблица 2
l, (м)
1/l
9
2
Iф (мкА)
2. Постройте график зависимости фототока от расстояния между
фотоэлементом и источником света.
I
1/ l 2
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое фотоэффект?
2. Какие волновые или корпускулярные свойства обнаруживает
свет в явлении фотоэффекта?
3. Какое условие необходимо для возникновения внешнего фотоэффекта?
4. Сформулируйте три закона фотоэффекта, запишите уравнение Эйнштейна и объясните их на основе квантовой теории света.
5. Объясните устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.
РАСЧЕТЫ И ВЫВОДЫ
10